Drehmomentsensor statisch prüfen: Kraft und Hebelarm als Referenz nutzen

→ Produktkategorie: Drehmomentsensoren

 

Ein Drehmomentsensor soll bei 100 Nm überprüft werden. Dafür ist nicht zwingend eine zweite Drehmomentmesswelle erforderlich. Ein bekanntes Drehmoment lässt sich grundsätzlich auch aus einer definierten Kraft und einem exakt bekannten Hebelarm erzeugen.

Die grundlegende Beziehung lautet:

M = F × l

Wirkt beispielsweise eine Kraft von:

200 N

senkrecht auf einen Hebelarm von:

0,5 m

entsteht ein Drehmoment von:

M = 200 N × 0,5 m = 100 Nm

In der Praxis ist die Aufgabe jedoch anspruchsvoller als diese einfache Rechnung vermuten lässt. Entscheidend sind der tatsächlich wirksame Hebelarm, die Richtung der Kraft, die horizontale Ausrichtung, die Lagerung des Sensors, das Eigengewicht des Hebels, Reibung und parasitäre Kräfte. Schon kleine mechanische Fehler können bei einem hochwertigen Drehmomentsensor größer sein als dessen eigentliche Messabweichung.

Eine belastbare statische Kontrolle entsteht deshalb erst dann, wenn Kraft und wirksamer Hebelarm bekannt sind und das Drehmoment möglichst frei von Querkräften, Biegemomenten und Reibung in die Messachse eingeleitet wird.

ICS Schneider bietet hierfür unter anderem Drehmomentsensoren sowie Kraftsensoren und Kraftmessgeräte. Ein Beispiel ist der HySense TQ100, ein rotierender DMS-Drehmomentsensor für Messbereiche von 1 bis 500 Nm.

Wie Drehmoment aus Kraft und Hebelarm entsteht

Drehmoment entsteht, wenn eine Kraft in einem Abstand zur Drehachse wirkt.

Für den idealen Fall einer senkrecht zum Hebel wirkenden Kraft gilt:

M = F × l

Dabei ist:

• M = Drehmoment in Nm,
• F = Kraft in N,
• l = wirksamer Hebelarm in m.

Das Drehmoment kann deshalb auf zwei Arten verändert werden

durch eine größere Kraft:

F ↑ → M ↑

oder durch einen längeren Hebelarm:

l ↑ → M ↑

Beispiel

F = 100 N

l = 0,5 m

ergibt:

M = 50 Nm

Dasselbe Drehmoment entsteht beispielsweise mit:

F = 50 N

und:

l = 1,0 m

Warum der Kraftwinkel entscheidend ist

Die vereinfachte Formel:

M = F × l

gilt nur, wenn Kraft und Hebelarm senkrecht zueinander stehen.

Allgemein gilt:

M = F × l × sin(α)

Dabei ist α der Winkel zwischen Hebelarm und Kraftrichtung.

Bei 90°

gilt:

sin(90°) = 1

und damit:

M = F × l

Weicht der Winkel von 90° ab

wird nur der senkrechte Anteil der Kraft drehmomentwirksam.

Das bedeutet:

Nicht die Länge des Hebels allein ist entscheidend, sondern der senkrechte Abstand zwischen Drehachse und Wirkungslinie der Kraft.

Drehmoment mit Referenzgewichten erzeugen

Eine besonders anschauliche Möglichkeit zur statischen Drehmomentprüfung besteht darin, bekannte Massen an einem definierten Hebelarm aufzuhängen.

Die Gewichtskraft ergibt sich aus:

F = m × g

Damit folgt für das Drehmoment:

M = m × g × l

Dabei ist:

• m = Masse in kg,
• g = lokale Erdbeschleunigung in m/s²,
• l = wirksamer Hebelarm in m.

Für überschlägige Prüfungen

wird häufig mit:

g ≈ 9,81 m/s²

gerechnet.

Bei höheren Genauigkeitsanforderungen

sollte jedoch der für den Standort relevante Wert der Erdbeschleunigung verwendet werden.

Auch die Masse der verwendeten Gewichte muss zur angestrebten Unsicherheit passen.

Berechnungsbeispiel mit Gewicht und Hebelarm

An einem horizontalen Hebelarm von:

0,500 m

wird eine Masse von:

20,000 kg

aufgehängt.

Mit:

g = 9,81 m/s²

ergibt sich zunächst die Gewichtskraft:

F = 20 kg × 9,81 m/s²

F = 196,2 N

Das Referenzdrehmoment beträgt damit:

M = 196,2 N × 0,500 m

M = 98,1 Nm

Ein wichtiger Praxisfehler

besteht darin, vereinfacht anzunehmen:

20 kg × 0,5 m = 10 kgm = 100 Nm

Für eine messtechnische Prüfung ist diese Näherung nicht ausreichend.

Die Masse muss zunächst über die Erdbeschleunigung in eine Kraft umgerechnet werden.

Alternative: Kraft mit einem Referenz-Kraftaufnehmer messen

Statt definierter Massen kann die auf den Hebel wirkende Kraft auch mit einem geeigneten Kraftaufnehmer gemessen werden.

Dann gilt direkt:

M = FRef × l

Beispiel

Ein Referenz-Kraftsensor misst:

250,0 N

bei einem wirksamen Hebelarm von:

0,4000 m

Dann beträgt das Drehmoment:

M = 250,0 N × 0,4000 m

M = 100,0 Nm

Diese Methode kann besonders praktisch sein

wenn:

• verschiedene Drehmomente kontinuierlich eingestellt werden sollen,
• große Massen vermieden werden sollen,
• bereits eine geeignete Kraftreferenz vorhanden ist.

Der Kraftaufnehmer muss dabei so eingebaut sein, dass er tatsächlich die tangential wirkende Referenzkraft erfasst.

Den wirksamen Hebelarm richtig bestimmen

Für die Berechnung zählt nicht einfach die Gesamtlänge des Hebels.

Entscheidend ist der Abstand zwischen:

Drehachse des Sensors

und:

Wirkungslinie der Referenzkraft

Beispiel

Ein Hebel ist insgesamt:

600 mm

lang.

Die Kraft wird jedoch bei:

500 mm

Abstand von der Drehachse eingeleitet.

Dann muss gerechnet werden mit:

l = 0,500 m

und nicht mit:

0,600 m

Bei einer Gewichtskalibrierung

sollte der relevante Abstand von der Drehachse bis zur tatsächlichen Wirkungslinie der Gewichtskraft bestimmt werden.

Auch die Geometrie eines Hakens, Bügels oder einer Schneide kann deshalb relevant sein.

Warum der Hebel horizontal ausgerichtet sein sollte

Bei frei hängenden Gewichten wirkt die Kraft vertikal nach unten.

Damit sie senkrecht auf den Hebel wirkt, sollte dieser horizontal stehen.

Ist der Hebel um einen Winkel β gegenüber der Horizontalen geneigt

ergibt sich:

M = m × g × l × cos(β)

Bei kleiner Neigung

erscheint der Fehler zunächst gering.

Bei steigenden Genauigkeitsanforderungen wird er jedoch relevant.

Eine Neigung sollte daher nicht lediglich optisch beurteilt werden.

Eine geeignete Wasserwaage beziehungsweise elektronische Neigungsmessung verbessert die Reproduzierbarkeit.

Eigengewicht des Hebelarms berücksichtigen

Auch der Hebelarm selbst besitzt eine Masse.

Liegt sein Schwerpunkt nicht genau auf der Drehachse, erzeugt das Eigengewicht bereits ohne zusätzliches Referenzgewicht ein Drehmoment.

Dieses Grundmoment kann

• mechanisch ausgeglichen,
• durch ein Gegengewicht kompensiert oder
• messtechnisch bestimmt und berücksichtigt

werden.

Einfaches Nullsetzen ist nicht immer gleichbedeutend mit mechanischem Ausgleich

Wird der Sensor mit montiertem, nicht ausbalanciertem Hebel lediglich elektrisch tariert, wirkt das durch den Hebel verursachte mechanische Drehmoment weiterhin auf den Sensor.

Für eine einfache Funktionskontrolle kann eine definierte Tarierung ausreichend sein. Bei einer anspruchsvollen Referenzmessung sollte das Eigenmoment des Hebels dagegen bekannt beziehungsweise möglichst kompensiert sein.

Drehmomentsensor mechanisch richtig aufnehmen

Der Sensor muss so montiert werden, dass das erzeugte Drehmoment vollständig durch seinen Messkörper übertragen wird.

Ein typischer statischer Aufbau besteht aus

starre Reaktionsaufnahme → Drehmomentsensor → Hebelarm → Referenzkraft

Eine Seite des Sensors wird gegen Verdrehung abgestützt.

An der anderen Seite wird das Referenzdrehmoment eingeleitet.

Wichtig ist

dass keine zusätzliche Konstruktion das Drehmoment am Sensor vorbei in den Prüfstand überträgt.

Ein Lager oder eine Abstützung, die den Hebel zwar mechanisch stabilisiert, aber gleichzeitig einen Teil des Drehmomentes übernimmt, verfälscht die Referenz.

Querkräfte und Biegemomente vermeiden

Ein Drehmomentsensor soll primär Torsion messen.

In einem realen Prüfaufbau können zusätzlich entstehen:

• Radialkräfte,
• Axialkräfte,
• Biegemomente,
• Verspannungen.

Ein langer Hebelarm kann erhebliche Querkräfte erzeugen

Die Gewichtskraft wirkt nicht nur als gewünschtes Drehmoment.

Sie belastet Welle, Kupplungen und Aufnahmen auch mechanisch.

Deshalb müssen die zulässigen Quer- und Axialbelastungen des verwendeten Sensors berücksichtigt werden.

Die mechanische Konstruktion sollte

• fluchtend,
• steif,
• spannungsarm,
• reproduzierbar

ausgeführt sein.

Ein mathematisch korrektes Referenzdrehmoment garantiert noch keinen korrekten Prüfwert, wenn der Sensor gleichzeitig durch unerwünschte parasitäre Belastungen beeinflusst wird.

Warum Reibung das Referenzmoment verfälschen kann

Idealerweise wird die Referenzkraft ohne zusätzliche Reibung auf den Hebel übertragen.

Problematisch können beispielsweise sein:

• schwergängige Lager,
• Seilrollen,
• Führungen,
• anliegende Gewichte,
• mechanische Anschläge.

Besonders kritisch

ist eine Konstruktion, bei der die Gewichtskraft über eine Umlenkrolle übertragen wird.

Die theoretische Seilkraft kann dann durch Lagerreibung und andere mechanische Effekte von der tatsächlich am Hebel wirkenden Kraft abweichen.

Für eine einfache, präzise statische Referenz ist eine direkte vertikale Krafteinleitung ohne unnötige Umlenkung meist vorteilhaft.

Nullpunkt vor der Belastung prüfen

Vor dem Aufbringen der ersten Last sollte der unbelastete Ausgang des Drehmomentsensors kontrolliert werden.

Dabei ist zu prüfen

• ist das System mechanisch unbelastet,
• ist der Hebel ausbalanciert beziehungsweise sein Eigenmoment berücksichtigt,
• ist die elektrische Versorgung stabil,
• ist die erforderliche Aufwärmzeit eingehalten,
• ist der Nullpunkt reproduzierbar.

Nach einer Belastungsreihe

sollte der Nullpunkt erneut kontrolliert werden.

Eine bleibende Nullpunktverschiebung kann beispielsweise auf:

• mechanische Verspannung,
• Überlastung,
• Hysterese,
• thermische Einflüsse

hinweisen.

Drehmoment kontrolliert aufbringen

Referenzgewichte sollten nicht schlagartig auf den Hebel gesetzt werden.

Stoßbelastungen können den Sensor deutlich höher belasten als der spätere statische Endwert vermuten lässt.

Die Belastung sollte deshalb

• langsam,
• stoßfrei,
• reproduzierbar

aufgebracht werden.

Nach jeder Laständerung sollte eine ausreichende Stabilisierung abgewartet werden, bevor der Sensorausgang dokumentiert wird.

Mehrere Prüfpunkte verwenden

Eine Prüfung ausschließlich am Messbereichsendwert zeigt nicht, wie sich der Sensor über den gesamten Bereich verhält.

Für eine praktische Mehrpunktkontrolle können beispielsweise verwendet werden

0 %

25 %

50 %

75 %

100 %

des vorgesehenen Prüfbereichs.

An jedem Punkt wird verglichen:

erzeugtes Referenzdrehmoment ↔ angezeigtes Drehmoment

Die Messabweichung kann berechnet werden als

ΔM = MAnzeige − MRef

oder relativ:

f = ΔM / MRef × 100 %

Rechts- und Linksdrehmoment unterscheiden

Viele Drehmomentsensoren können positive und negative Drehrichtungen erfassen.

Dann sollte geprüft werden, ob die Anwendung:

• nur eine Drehrichtung oder
• beide Drehrichtungen

benötigt.

Bei bidirektionaler Nutzung

können Messreihen für:

CW / Rechtsdrehmoment

und:

CCW / Linksdrehmoment

sinnvoll sein.

Eine gute Übereinstimmung in positiver Richtung bedeutet nicht automatisch, dass sich der Sensor bei negativem Drehmoment identisch verhält.

Hysterese und Rückkehr zum Nullpunkt prüfen

Für eine aussagekräftigere Kontrolle kann das Drehmoment nicht nur schrittweise erhöht, sondern anschließend wieder reduziert werden.

Beispiel

0 → 25 → 50 → 75 → 100 %

anschließend:

100 → 75 → 50 → 25 → 0 %

Unterscheiden sich die Anzeigen beim gleichen Referenzdrehmoment abhängig davon, ob die Last von unten oder von oben angefahren wurde, liegt eine Hysterese vor.

Zusätzlich sollte nach vollständiger Entlastung geprüft werden

ob der Sensor wieder auf seinen ursprünglichen Nullwert zurückkehrt.

Sensorausgang richtig bewerten

Bei einem Drehmomentsensor wird häufig nicht direkt Nm ausgegeben.

Je nach Gerät können beispielsweise:

• mV/V,
• Spannung,
• Strom,
• Frequenz,
• digitale Messwerte

verwendet werden.

Beim HySense TQ100

erfolgt die Drehmomentmessung nach dem DMS-Prinzip; ICS nennt ein Ausgangssignal von:

12 ± 8 mA ISDS

bei integrierter Richtungserkennung.

Für einen korrekten Vergleich muss deshalb die vollständige Signalkette berücksichtigt werden:

Drehmomentsensor → Versorgung / Messverstärker → Anzeige / Datenerfassung → Skalierung

Ein falscher Skalierungsfaktor kann ansonsten wie ein Sensorfehler aussehen.

Messunsicherheit der statischen Referenz

Auch das aus Kraft und Hebelarm berechnete Drehmoment ist nicht exakt fehlerfrei.

Seine Unsicherheit setzt sich aus mehreren Beiträgen zusammen.

Typische Einflussgrößen sind

• Unsicherheit der Referenzkraft beziehungsweise Masse,
• Unsicherheit der Erdbeschleunigung bei Gewichtskraft,
• Unsicherheit des wirksamen Hebelarms,
• Winkelfehler des Hebels,
• Eigenmoment des Hebelarms,
• Reibung,
• parasitäre Kräfte und Momente,
• Wiederholbarkeit,
• Auflösung der Anzeige,
• Temperatur.

Vereinfacht betrachtet

wirken bei:

M = F × l

sowohl die Unsicherheit von:

F

als auch von:

l

direkt auf das Referenzdrehmoment.

Für eine reine Funktionsprüfung reicht häufig eine einfachere Betrachtung. Für eine metrologisch belastbare Kalibrierung ist dagegen ein vollständiges Messunsicherheitsbudget erforderlich.

Statische Kontrolle oder Kalibrierung?

Eine selbst aufgebaute Kraft-Hebelarm-Einrichtung eignet sich sehr gut zur:

• Funktionskontrolle,
• Plausibilitätsprüfung,
• Fehlersuche,
• Zwischenprüfung eines Prüfstands.

Sie wird aber nicht automatisch zu einer rückführbaren Kalibriereinrichtung

nur weil:

M = F × l

mathematisch korrekt angewendet wird.

Für eine rückführbare Kalibrierung müssen unter anderem Referenzgrößen, Messunsicherheit, Verfahren, Umgebungsbedingungen und mechanische Einflüsse entsprechend bewertet und dokumentiert werden.

Für statische Drehmomentmessgeräte

ist in Deutschland insbesondere die DIN 51309 für die Kalibrierung statischer Drehmomentmessgeräte relevant.

Für hochgenaue beziehungsweise akkreditierte Anwendungen sollte deshalb eine entsprechend geeignete Kalibrierung verwendet werden.

ICS Schneider bietet auch Kalibrierdienstleistungen für Drehmomentmesswellen und weitere Messgrößen an.

Warum eine statische Prüfung keine dynamische Prüfung ersetzt

Ein rotierender Drehmomentsensor wird im realen Einsatz häufig unter völlig anderen Bedingungen betrieben als bei einer statischen Kontrolle.

Im Betrieb kommen beispielsweise hinzu:

• Drehzahl,
• Vibration,
• Fluchtungsfehler,
• dynamische Drehmomentschwankungen,
• Trägheitsmomente,
• Temperaturänderungen,
• Signalübertragung während der Rotation.

Eine statische Prüfung zeigt deshalb

ob der Sensor unter einer bekannten quasistatischen Belastung plausibel misst.

Sie bestätigt jedoch nicht automatisch sein vollständiges dynamisches Verhalten bei Nenndrehzahl.

Eine gute statische Übereinstimmung ist eine wichtige Kontrolle – aber kein Ersatz für eine dynamische Bewertung, wenn die Anwendung diese erfordert.

Praxisbeispiel: 100-Nm-Drehmomentsensor

Ein Drehmomentsensor soll statisch bis:

100 Nm

überprüft werden.

Der wirksame Hebelarm beträgt:

0,5000 m

Für eine vereinfachte Beispielrechnung wird:

g = 9,81 m/s²

verwendet.

Masse	Kraft	Hebelarm	Referenzdrehmoment
5 kg	49,05 N	0,500 m	24,525 Nm
10 kg	98,10 N	0,500 m	49,050 Nm
15 kg	147,15 N	0,500 m	73,575 Nm
20 kg	196,20 N	0,500 m	98,100 Nm

Wichtig ist dabei

dass diese Werte nur dann dem tatsächlich eingeleiteten Drehmoment entsprechen, wenn:

• der Hebelarm korrekt bestimmt ist,
• der Hebel horizontal steht,
• die Gewichte frei hängen,
• das Hebeleigengewicht berücksichtigt ist,
• keine relevanten Reibungs- oder Nebenlasten auftreten.

Für exakt 100 Nm

müsste bei:

l = 0,5000 m

eine Kraft von:

F = 200,0 N

wirken.

Die dafür erforderliche Masse wäre bei:

g = 9,81 m/s²

ungefähr:

20,39 kg

Diese Rechnung zeigt, weshalb die einfache Gleichsetzung von Kilogramm und Newton bei einer Drehmomentprüfung vermieden werden sollte.

Typische Fehlerbilder

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Alle Messpunkte zeigen nahezu denselben prozentualen Fehler	Hebelarm oder Kraftreferenz falsch bestimmt	wirksame Länge und Referenzkraft prüfen
Sensor zeigt bereits unbelastet Drehmoment	Eigengewicht des Hebels oder Verspannung	Hebel ausbalancieren und Nullpunkt prüfen
Messwert ändert sich beim Anheben und Absenken unterschiedlich	Hysterese oder Reibung	auf- und absteigende Messreihe durchführen
Messwert verändert sich beim leichten Bewegen des Hebels	Lagerreibung oder mechanische Verspannung	Krafteinleitung und Lagerung untersuchen
Ergebnis verändert sich mit Hebelposition	Hebel nicht horizontal beziehungsweise Kraftrichtung falsch	Winkel und wirksamen Hebelarm prüfen
Messwert stimmt bei kleinen Drehmomenten, aber nicht bei hohen	Nichtlinearität, Verformung oder Überlast der Konstruktion	Hebel, Aufnahmen und Sensorbereich prüfen
Nullpunkt kommt nach Belastung nicht zurück	mechanische Remanenz, Überlast oder Verspannung	Sensor entlasten und Nullpunktverlauf beobachten
Messwert hängt von der Drehrichtung ab	Richtungsabhängigkeit oder mechanischer Aufbau	CW und CCW getrennt prüfen
Anzeige passt nicht zum berechneten Drehmoment	falsche elektrische Skalierung	Signalbereich und Skalierungsfaktor prüfen
Gewichte erzeugen schwankende Anzeige	Pendeln oder dynamische Belastung	Gewichte beruhigen und Stabilisierung abwarten
Mit zusätzlichem Stützlager wird ein kleinerer Wert gemessen	Teil des Drehmomentes wird am Sensor vorbeigeleitet	Kraftfluss des Prüfaufbaus kontrollieren
Statische Prüfung ist gut, Prüfstand zeigt unter Drehzahl Abweichungen	dynamischer Einfluss, Fluchtung oder Kupplungen	rotierenden Gesamtaufbau untersuchen

Statische Prüfung systematisch durchführen

1. Drehmomentsensor identifizieren: Messbereich, zulässige Belastungen, Drehrichtung und Ausgangssignal prüfen.
2. Prüfbereich festlegen: Maximales benötigtes statisches Drehmoment bestimmen.
3. Hebelarm dimensionieren: Länge so wählen, dass die erforderliche Referenzkraft praktikabel bleibt.
4. Sensor sicher montieren: Eine Seite gegen Verdrehung aufnehmen und die Messachse korrekt ausrichten.
5. Hebel befestigen: Steife und spielfreie Verbindung zur Sensorwelle herstellen.
6. Wirksamen Hebelarm bestimmen: Von der Drehachse bis zur tatsächlichen Wirkungslinie der Kraft messen.
7. Eigengewicht prüfen: Hebel möglichst ausbalancieren oder Eigenmoment bestimmen.
8. Hebel horizontal ausrichten: Bei vertikal wirkender Gewichtskraft 90° zwischen Kraft und Hebel herstellen.
9. Elektrik anschließen: Versorgung, Signalaufbereitung und Skalierung entsprechend Sensorvorgabe konfigurieren.
10. Aufwärmzeit einhalten: Sensor und Messelektronik stabilisieren lassen.
11. Nullpunkt erfassen: Unbelasteten Ausgang dokumentieren.
12. Referenzkraft aufbringen: Gewichte oder Kraftreferenz langsam und stoßfrei belasten.
13. Stabilisierung abwarten: Erst bei ruhigem Messwert ablesen.
14. Referenzmoment berechnen: M = F × l beziehungsweise M = m × g × l.
15. Sensorwert dokumentieren: Referenz- und Anzeigewert gegenüberstellen.
16. Weitere Prüfpunkte anfahren: Messbereich schrittweise durchlaufen.
17. Absteigende Reihe prüfen: Hysterese bei Bedarf bewerten.
18. Andere Drehrichtung prüfen: Falls für die Anwendung relevant.
19. Nullpunkt erneut kontrollieren: Verhalten nach vollständiger Entlastung dokumentieren.
20. Unsicherheit bewerten: Kraft, Hebelarm, Winkel, Reibung und Wiederholbarkeit berücksichtigen.

Passende Drehmoment- und Kraftmesstechnik bei ICS Schneider

HySense TQ100

Der HySense TQ100 ist ein rotierender Drehmomentsensor mit DMS-Messprinzip und Schleifringübertragung.

ICS nennt unter anderem:

• Messbereiche von 1 … 500 Nm,
• Messgenauigkeit 0,1 % FS,
• integrierte Richtungserkennung,
• Ausgangssignal 12 ± 8 mA ISDS,
• elektrischen Anschluss M16 × 0,75, 6-polig.

Typische Anwendungen sind unter anderem Messungen an rotierenden Wellen, Reibungsmomentmessungen und die Überwachung von Produktionsprozessen.

HySense TQ110

Der HySense TQ110 ist ebenfalls als rotierender Drehmomentsensor mit Schleifring ausgeführt und steht für verschiedene Drehmomentbereiche zur Verfügung.

Kraftsensoren und Kraftmessgeräte

Wenn das Referenzmoment nicht über bekannte Massen, sondern über eine gemessene Referenzkraft erzeugt werden soll, bietet ICS Schneider außerdem Kraftsensoren und Kraftmessgeräte für Zug- und Druckkräfte.

Welcher Aufbau ist sinnvoll?

Vereinfacht:

einfache statische Kontrolle → definierter Hebelarm + bekannte Masse

variable Referenzkraft → Hebelarm + geeigneter Kraftaufnehmer

rückführbare Präzisionskalibrierung → geeignete Drehmoment-Kalibriereinrichtung

rotierende Anwendung → statische Kontrolle zusätzlich durch Prüfung des dynamischen Gesamtsystems ergänzen

Weitere Sensoren finden Sie unter Kraft-, Wäge-, Drehzahl-, Drehmoment- und Vibrationssensoren bei ICS Schneider.

Fazit

Ein Drehmomentsensor lässt sich mit einer bekannten Kraft und einem definierten Hebelarm sehr wirkungsvoll statisch kontrollieren.

Die Grundlage ist einfach

M = F × l

Bei Referenzgewichten gilt:

M = m × g × l

Der wirksame Hebelarm ist entscheidend

Gemessen wird von der Drehachse bis zur Wirkungslinie der Kraft und nicht einfach die Gesamtlänge des Hebels.

Kraft und Hebel müssen senkrecht zueinander stehen

Bei frei hängenden Gewichten bedeutet dies einen möglichst horizontal ausgerichteten Hebelarm.

Das Eigengewicht des Hebels darf nicht vergessen werden

Ein nicht ausbalancierter Hebel erzeugt bereits ohne zusätzliche Referenzlast ein Drehmoment.

Parasitäre Belastungen können die Messung dominieren

Querkräfte, Biegemomente, Reibung und Verspannung sollten möglichst vermieden beziehungsweise bei höheren Genauigkeitsanforderungen bewertet werden.

Mehrere Prüfpunkte liefern deutlich mehr Information

Eine auf- und absteigende Messreihe zeigt zusätzlich Nichtlinearität, Hysterese und Nullpunktrückkehr.

Eine statische Kontrolle ist nicht automatisch eine Kalibrierung

Für rückführbare Ergebnisse müssen Referenzgrößen, Verfahren und Messunsicherheit entsprechend qualifiziert sein.

Und eine statische Prüfung ersetzt keine dynamische Untersuchung

Bei rotierenden Sensoren können unter Drehzahl zusätzliche Einflüsse durch Fluchtung, Kupplungen, Vibration und Signalübertragung auftreten.

Für die Praxis gilt

Sensorbereich bestimmen → Referenzmoment festlegen → Hebelarm dimensionieren → Sensor fluchtend und sicher montieren → Hebel spielfrei befestigen → wirksamen Abstand zur Drehachse bestimmen → Hebeleigengewicht ausgleichen → Kraft senkrecht einleiten → Nullpunkt prüfen → Referenzkraft langsam aufbringen → Stabilisierung abwarten → M = F × l berechnen → Sensorwert vergleichen → mehrere Laststufen auf- und abfahren → bei Bedarf beide Drehrichtungen prüfen → Nullpunkt nach Entlastung kontrollieren → Kraft-, Längen-, Winkel- und Reibungseinflüsse bewerten → bei erforderlicher Rückführbarkeit eine geeignete Drehmomentkalibrierung durchführen.

FAQ: Drehmomentsensor statisch mit Kraft und Hebelarm prüfen

Wie berechnet man Drehmoment aus Kraft und Hebelarm?

Bei senkrechter Krafteinleitung gilt M = F × l. Die Kraft wird in Newton und der Hebelarm in Metern eingesetzt. Das Ergebnis wird in Newtonmeter angegeben.

Wie lautet die allgemeine Drehmomentformel bei schräger Krafteinleitung?

Sie lautet M = F × l × sin(α), wobei α der Winkel zwischen Hebelarm und Kraft ist.

Warum muss die Kraft senkrecht zum Hebel wirken?

Nur der senkrecht zum Hebel wirkende Kraftanteil erzeugt das maximale berechnete Drehmoment.

Kann ich einen Drehmomentsensor mit Gewichten prüfen?

Ja. Bei einem definierten Hebelarm kann aus der bekannten Masse über die Gewichtskraft ein Referenzdrehmoment erzeugt werden.

Wie berechne ich das Drehmoment eines Gewichtes?

Mit M = m × g × l.

Erzeugen 10 kg an einem 1-m-Hebel exakt 100 Nm?

Nein. Mit der Näherung g = 9,81 m/s² ergeben 10 kg an einem 1-m-Hebel etwa 98,1 Nm.

Warum muss die Erdbeschleunigung berücksichtigt werden?

Eine Masse in Kilogramm ist noch keine Kraft. Erst durch Multiplikation mit der Erdbeschleunigung erhält man die Gewichtskraft in Newton.

Kann ich einfach mit 9,81 m/s² rechnen?

Für viele praktische Kontrollen ist dies eine sinnvolle Näherung. Bei hohen Genauigkeitsanforderungen sollte der lokale Wert der Erdbeschleunigung berücksichtigt werden.

Was ist der wirksame Hebelarm?

Der wirksame Hebelarm ist der senkrechte Abstand zwischen der Drehachse und der Wirkungslinie der Kraft.

Warum muss der Hebel bei hängenden Gewichten horizontal sein?

Die Gewichtskraft wirkt vertikal. Bei horizontalem Hebel stehen Kraft und Hebel im idealen 90°-Winkel zueinander.

Was passiert bei einem schrägen Hebel?

Der wirksame Hebelarm wird kleiner und das tatsächlich erzeugte Drehmoment fällt gegenüber der einfachen Berechnung F × l ab.

Muss das Gewicht des Hebels berücksichtigt werden?

Ja, wenn sein Schwerpunkt außerhalb der Drehachse liegt. Dann erzeugt der Hebel selbst bereits ein Drehmoment.

Kann ich das Hebeleigengewicht einfach wegnullen?

Für eine einfache Vergleichsprüfung kann eine definierte Tarierung hilfreich sein. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen sollte das mechanisch wirkende Eigenmoment jedoch bestimmt oder ausgeglichen werden.

Kann ich statt Gewichten einen Kraftsensor verwenden?

Ja. Wird die tatsächlich wirkende Referenzkraft mit einem geeigneten Kraftaufnehmer gemessen, kann das Drehmoment ebenfalls mit M = F × l berechnet werden.

Wo muss der Kraftsensor angreifen?

Die gemessene Kraft muss an einer bekannten Position tangential zum Hebel wirken. Der wirksame Abstand zur Drehachse muss eindeutig bestimmt sein.

Warum sind Querkräfte problematisch?

Sie belasten den Drehmomentsensor zusätzlich und können abhängig vom Aufbau und Sensor zu Messabweichungen oder mechanischer Überlastung führen.

Warum sind Biegemomente problematisch?

Der Sensor soll primär Torsion erfassen. Biegung stellt eine unerwünschte parasitäre Belastung dar und kann das Messergebnis beeinflussen.

Kann ich den Hebel zusätzlich abstützen?

Nur wenn die Abstützung kein Drehmoment am Sensor vorbeileitet und keine relevante Reibung erzeugt. Andernfalls stimmt das berechnete Referenzmoment nicht mehr mit dem am Sensor wirkenden Drehmoment überein.

Warum können Umlenkrollen problematisch sein?

Lagerreibung und Geometrie der Rolle können dazu führen, dass die tatsächlich am Hebel wirkende Kraft von der theoretischen Gewichtskraft abweicht.

Soll ich das Gewicht schlagartig aufhängen?

Nein. Die Referenzlast sollte langsam und stoßfrei aufgebracht werden, um dynamische Überlastungen zu vermeiden.

Wie viele Prüfpunkte sollte ich verwenden?

Für eine praktische Kontrolle sind mehrere über den relevanten Messbereich verteilte Punkte sinnvoll. Die konkrete Anzahl hängt von der Prüfaufgabe und dem geforderten Nachweis ab.

Warum sollte ich auf- und absteigend prüfen?

Damit können unter anderem Hysterese und das unterschiedliche Verhalten beim Be- und Entlasten sichtbar werden.

Sollte ich beide Drehrichtungen prüfen?

Wenn der Sensor in der Anwendung in beiden Drehrichtungen misst, sollten Rechts- und Linksdrehmoment entsprechend berücksichtigt werden.

Was bedeutet eine Nullpunktverschiebung nach der Belastung?

Sie kann unter anderem auf Hysterese, mechanische Verspannung, Temperaturänderung oder eine Überlastung hinweisen.

Wie berechne ich die Messabweichung?

Eine einfache absolute Abweichung ist ΔM = Manzeige − Mref.

Was bestimmt die Genauigkeit des Referenzdrehmomentes?

Vor allem Referenzkraft beziehungsweise Masse, Hebelarmlänge, Kraftwinkel, Reibung, Eigenmoment des Hebels, mechanische Krafteinleitung und Wiederholbarkeit.

Ist die Kraft-Hebelarm-Methode eine offizielle Kalibrierung?

Nicht automatisch. Für eine rückführbare Kalibrierung müssen Referenzen, Verfahren, Umgebungsbedingungen und Messunsicherheit entsprechend qualifiziert und dokumentiert sein.

Welche Norm ist für die Kalibrierung statischer Drehmomentmessgeräte relevant?

In Deutschland ist hierfür insbesondere DIN 51309 zur Kalibrierung von Drehmomentmessgeräten für statische Drehmomente relevant.

Kann ich einen rotierenden Drehmomentsensor statisch prüfen?

Grundsätzlich kann seine quasistatische Reaktion mit einem bekannten Drehmoment kontrolliert werden, sofern der Sensor und die mechanische Aufnahme dafür geeignet sind.

Beweist die statische Prüfung auch die Genauigkeit bei hoher Drehzahl?

Nein. Drehzahl, Kupplungen, Fluchtung, Vibration, Temperatur und dynamische Belastungen können im rotierenden Betrieb zusätzliche Einflüsse verursachen.

Was ist der HySense TQ100?

Der HySense TQ100 ist ein rotierender DMS-Drehmomentsensor mit Schleifringübertragung und integrierter Richtungserkennung.

Welche Messbereiche besitzt der HySense TQ100?

ICS Schneider nennt Messbereiche von 1 bis 500 Nm.

Wo finde ich den HySense TQ100?

Weitere Informationen finden Sie unter HySense TQ100 bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Drehmomentsensoren?

Eine Übersicht finden Sie unter Drehmomentsensoren bei ICS Schneider.

Wo finde ich geeignete Kraftsensoren?

Eine Übersicht finden Sie unter Kraftsensoren und Kraftmessgeräte bei ICS Schneider.